Работа выполнена при поддержке гранта Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере.
В наше время широкое применение нашли электрические и пневматические приводы для роботов. Как бы совершенны не были данные механизмы, человеческие мышцы превосходят их по быстроте действия, а также удельной мощности. Поэтому традиционные способы совершения работы механическими приводами нельзя считать совершенными. Для замены известных решений приводящих устройств, более совершенными механизмами приводов, повторяющих характеристики органических мышц было выдвинут ряд нетривиальных решений [2].
В данной статье рассмотрены новые открытия и решения в области «искусственных мышц», используемых для произведения механической работы. Целью данной работы является, анализ основных из известных искусственных аналогов мышц, а также перспективы их развития.
Основным ограничением функциональности органических мышц является необходимость в постоянном подведении новых химических компонентов и износ материала во времени. Клетки живой материи обладают возможностью постоянного обновления, потребляя химические компоненты как для самого обновления, так и непосредственно для совершения механического движения. В механике робототехнической системы такую реализацию обеспечить сложно.
Несомненно, крайне малое значение инерционности обеспечивает перспективу в развитии искусственных мышц как приводов робототехнических систем и комплексов. Полимеры являются основным материалом для изготовления искусственных мышц на современном этапе развития науки и техники. Они обладают большим запасом цикличности и не требуют жестких условий по нагреву материала для перехода из одного фазового состояния в другое и завершения одного цикла работы, как это требовалось в ранних экспериментах с материалами обладающих памятью формы (речь идет о никель-титановых сплавах, в частности NITINOL – NiTi Naval Ordnance Laboratories).
Первопроходцем в развитии полимеров как материала для искусственных мышц является доктор Йозеф Бар-Коэн из лаборатории реактивного движения NASA, который создал электроактивные полимеры (ЭАП). Он создал два типа искусственных мышц [1]:
1. Полимерная лента, которая содержит в себе углерод, кислород и фтор. Меняя распределение зарядов на поверхностном слое ленты посредством пропускания электрического тока можно добиться изгибания ленты. Меняя конфигурацию полимерных лент возможно практически неограниченно изменять сложность и вариабильность механических перемещений.
2. Пластины ЭАП выполненные в виде свернутых в трубочки. Осуществление полезной работы производится путём сжатия и растяжения трубочки с деформацией эластичной сердцевины под действием электрического тока. .
Первый тип мускул нашёл применение в манипуляторе верхней конечности компании из США Environmental Robots Incorporated. Он содержал две пластины выполняющих роль привода, собранных из полимерных лент. Второй тип искусственных мышц NASA внедряет в перспективные модели планетоходов.
Компанией Artificial Muscle, были разработаны приводы в основе которых лежали полимеры – EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). Развитие вышеуказанных технологий может привести к созданию “искусственных мышц” превосходящие по характеристикам органические мышцы. На данном этапе развития максимальным развиваемым усилием однослойной полимерной искусственная мышцы на основе технологии EPAM является усилие равное 0,5 ньютона. Путём комбинирования слоёв полимера, можно получить исполнительные механизмы, развивающие усилие в несколько десятков раз большее по сравнению с одной полимерной лентой. На данном этапе развития, подобные устройства находят применения в механизмах фокусировки современных оптических систем заменяя собой шаговые электродвигатели. Продукт Artificial Muscle обладает высоким уровнем быстродействия и ресурсом работы, позволяя совершить до 17 тысяч циклов сжатия-растяжения в секунду изменяя свою длину в 3,8 раза [3,4].
Выполнив анализ перспективных разработок в области перспективных видов полимерных приводов, можно сделать вывод, что данная область науки «шагнула» далеко вперед, и в скором времени человечество ждет обширное внедрение данных технологий в области робототехники и протезирования.
Библиографический список
- Песчанская Н.Н., Якушев П.Н., Шпейзман В.В., Смолянский А.С., Шведов А.С., Черемисов В.Г. Неоднородность скорости деформации полимерных материалов с разной надмолекулярной структурой // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 9. С. 1837–1840
- Electroactive Polymers for Robotic Applications / K.J. Kim, S. Tadokoro (eds.). L.: Springer-Verlag, 2007. 281 р
- Carpi F., Chiarelli P., Mazzoldi A., De Rossi D. Electromechanical characterisation of dielectric elastomer planar actuators: Comparative evaluation of different electrode materials and different counterloads // Sensors and Actuators A. 2003. Vol. 107. Is. 1. P. 85–95
- Шеппард Г. Искусственные мышцы // Журнал «Вокруг Света», 2007, №6 [Электронный ресурс]. URL: vokrugsveta.ru/vs/article/3910
- Косолапов К.В., Хайрулин А.В., Свалов Д.В., Набиев В.Р., Гафаров Р.Р. Осуществление передачи данных роботизированной платформы и устройством с ос android // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. №1-3 (32). С. 14-15.
- Косолапов К.В., Распутин Д.А., Тюгаев М.В., Адигамов И.С. Разработка универсального модульного автоматизированного комплекса удалённого присутствия //Международный научно-исследовательский журнал. 2014. №8-1 (27). С. 22-25.
Количество просмотров публикации: Please wait